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Motori alternativi a combustione interna

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Motori alternativi a combustione interna

Introduzione

Con questa denominazione si indicano quelle macchine volumetriche, termiche, motrici, alternative nelle quali la combustione avviene all'interno del fluido motore: esse richiedono pertanto che ad ogni ciclo il fluido venga rinnovato e sono quindi dotate di un apparato di distribuzione. Le macchine volumetriche, operatrici o motrici, hanno un funzionamento che si basa sulla presenza di almeno una camera a volume variabile (ciclicamente) entro cui il fluido operante compie le sue trasformazioni.

La combustione interna della macchina motrice vera e propria comporta conseguenze positive e negative:

·          positive:    semplificazioni per l'assenza di scambiatori di calore
                 minor numero di luoghi di perdita

·          negative:    limitazione sulla scelta di combustibile e sua dosatura con l'aria
                 complicazioni legate al rinnovo del fluido e all'introduzione del combustibile
                 perdite particolari: cessione di calore alle pareti, durata dell 242e48c a combustione, presenza                di incombusti             



Per i motori alternativi a combustione interna le classificazioni fondamentali sono quelle basate sulle caratteristiche di funzionamento.

In questi motori, la parete che lavora (stantuffo) ha un moto rettilineo alterno, mentre è fisso l'insieme delle pareti di chiusura della camera (cilindro). Il moto e il lavoro dello stantuffo vengono trasmessi all'albero motore attraverso il meccanismo biella-manovella.

Delle diverse classificazioni possibili una permette di separare in due grandi classi tutti i motori a combustione interna, ed è quella basata sul tipo di accensione adottato:

·      motori ad accensione comandata

·      motori ad accensione per compressione

La prima classe è detta anche dei motori a benzina o a combustione o a propagazione di fiamma; la seconda è anche detta dei motori a nafta o a gasolio o a iniezione o a combustione graduata dall'iniezione.

Per brevità le due classi vengono soventemente indicate anche come  motori a ciclo Otto e motori a ciclo Diesel.

Un'ultima distinzione, di tipo cinematico, si basa sul numero di tempi o corse che lo stantuffo deve compiere per completare il ciclo di lavoro:

·      motori a 2 tempi

·      motori a 4 tempi

Cicli termodinamici

Nei motori a combustione interna non si svolgono, a rigore, dei cicli termodinamici, ma trasformazioni aperte, e volendo parlare di cicli occorre far riferimento ai cicli di lavoro.

Dalla termodinamica è noto che se si dispone di due sorgenti di calore a differente temperatura, il ciclo ideale di massimo rendimento è quello di Carnot. Nei motori a combustione interna si ha a che fare con trasformazioni monotermiche, si dispone cioè della sola sorgente a bassa temperatura che è l'atmosfera. Non esiste in pratica una limitazione sulla temperatura massima della combustione in quanto il motore, grazie alla sua inerzia termica, risente del valore medio della temperatura del ciclo e non del suo massimo.

Le pareti del cilindro sono refrigerate e pertanto ci sarà un salto di temperatura tra gas e pareti: con temperature medie del ciclo di 700-900 °C si riesce ad avere a parete una temperatura di 150-250 °C. Di conseguenza, con un'adeguata refrigerazione e lubrificazione, conviene lavorare con il massimo valore di temperatura.

In figura è rappresentata la trasformazione adiabatica di compressione a cui segue la combustione, che può essere una trasformazione isocora o isobara.

Si hanno due limitazioni.

1) limitazione sulla pressione p2 alla quale avviene la combustione. Nei motori ad accensione comandata occorre evitare che il combustibile raggiunga una

 


temperatura troppo elevata, altrimenti si realizza un'accensione spontanea. In questo caso la trasformazione migliore è la più rapida possibile, cioè la isocora.

Analizzando la figura, vediamo che a parità di calore introdotto, cioè:

la quantità di calore sottratto risulta:

 


Siccome il rendimento è dato da , è chiaro che il rendimento migliore si ha con la trasformazione isobara.

2)  Limitazione sulla pressione massima raggiungibile. Il cilindro e lo stantuffo non possono sopportare sollecitazioni meccaniche al di sopra di una certa soglia, e questo limita la pressione massima raggiungibile durante il ciclo.

A parità di calore introdotto, cioè:

la quantità di calore sottratto risulta:

Quindi abbiamo il miglior rendimento introducendo il calore alla pressione massima.

 


I cicli così schematizzati non sono attuabili, in quanto la 4-1 è una compressione isoterma realizzabile solo molto lentamente, e questo è improponibile in un motore. Tale trasformazione viene sostituita invece con un'isocora, che permette di avere corse uguali per la fase di espansione e di aspirazione. Vediamo i cicli fondamentali:

v

 

S

 

Limitazione p2 ciclo Otto

 


Ciclo Sabathé

Il ciclo Sabathé nasce dal Diesel per motori veloci, in quanto si ha una combustione a volume quasi costante, ed arrivati alla pressione massima si cerca di avere  un ulteriore combustione a pressione costante (3-3').

Il ciclo Sabathé, come si può notare dal grafico, assume le caratteristiche sia del ciclo Otto che del ciclo Diesel; si può dimostrare che il rendimento del ciclo Sabathé è espresso da:

 


Dove:

è il rapporto volumetrico di compressione in cui Vmax = V+ Vmin, dove V è la



cilindrata e Vmin è il volume di spazio morto;

è il rapporto di combustione a volume costante

 è il rapporto di combustione a pressione costante

Nel ciclo Otto abbiamo che T3 = T3' , quindi ; da questo segue che  e quindi il rendimento è pari a:

In generale, al crescere di S,S', la funzione f cresce, mentre il rendimento decresce.

Un andamento qualitativo della dipendenza di da e è dato dal diagramma qui riportato.

 


Ciclo di lavoro indicato

Il ciclo di lavoro indicato di un motore a 4 tempi è composto da  sei fasi.

1.   Aspirazione (6a-1): lo stantuffo, scendendo, genera un volume che viene occupato dalla carica che nel ciclo Otto è rappresentata dalla miscela aria+combustibile; mentre nel ciclo Diesel è l'aria.

2.   Compressione (1-2): lo stantuffo, risalendo a valvole  chiuse, comprime la carica entro la camera di combustione.

3.   Combustione (2-3): prima che lo stantuffo raggiunga il punto morto superiore (PMS), viene comunicata l'accensione (Otto) o viene iniettato il combustibile (Diesel, Sabathé). La combustione richiede un certo tempo e si completa quando lo stantuffo sta scendendo

 


4.   Espansione (3-4): a valvole ancora chiuse, i gas combusti si espandono facendo scendere lo stantuffo.

5.   Scarico spontaneo (4-5): la valvola di scarico si apre con un certo anticipo rispetto alla fine della corsa di espansione e permette la fuoriuscita di gran parte dei gas combusti che si trovano a pressione superiore di quella esterna.

6.   Espulsione (5-6s): nel suo moto di risalita lo stantuffo espelle i gas residui che riempiono ancora il cilindro alla pressione esterna; rimangono soltanto quelli contenuti nello spazio morto.

Il tratto 6a-6s è comune alle due fasi di aspirazione e di espulsione: questa sovrapposizione è richiesta unicamente per potere sfruttare al massimo la luce di passaggio delle valvole nel tratto utile della corsa dello stantuffo.

Le varie fasi del ciclo indicato sono messe in rilievo quantitativamente nel diagramma della distribuzione, che indica gli anticipi e i posticipi di apertura e chiusura della valvole di aspirazione e scarcio.

Prestazioni dei motori alternativi a combustione interna

Il lavoro utile del ciclo è pari a:

dove:

 è il rendimento utile

Mb è la massa di combustibile introdotta nel ciclo

Hi è il potere calorifico inferiore del combustibile

La potenza utile, per un motore dotato di i cilindri, vale:

dove  è il numero di cicli nell'unità di tempo; nella formula n è il numero di giri al secondo, m = 1 se il motore è a 2 tempi, m = 1 se il motore è a 4 tempi.

Introducendo la dosatura a del combustibile, , otteniamo:

Definiamo il coefficiente di riempimento lv per un motore (espressione esatta per il motore alimentato da sola aria):

dove:

Ma è la massa di aria che ad ogni ciclo alimenta la macchina

ra è la massa volumica del fluido nelle condizioni esterne

V è la cilindrata

Quindi il denominatore rappresenta la massa teoricamente operante nella corrispondente macchina ideale.

Allora possiamo ulteriormente esprimere la potenza utile in questo modo:

Le prestazioni di un motore volumetrico vengono caratterizzate, oltre che dalla potenza utile e dal rendimento utile, anche dalla pressione media effettiva pme, la quale rappresenta il lavoro utile per unità di cilindrata e per ciclo:

Utilizzando quest'ultima espressione, la potenza utile si può scrivere così:

E' utile osservare che la pressione media effettiva è proporzionale alla coppia motrice C, infatti:

Infine, un altro parametro di interesse motoristico è il consumo specifico di combustibile:

Curve caratteristiche

Le prestazioni di un motore alternativo ad accensione comandata si sintetizzano nei diagrammi di coppia, di potenza ed eventualmente di consumo specifico, in funzione della velocità angolare, con grado di parzializzazione della valvola a farfalla costante, in particolare massimo, e con riferimento alle condizioni di aspirazione normalizzate (pressione = 760 mmHg, temperatura = 20°C). Questo diagramma prende il nome di caratteristica meccanica.

Si parla invece di caratteristica di regolazione del motore (soprattutto per i motori a ciclo Diesel di impiego stazionario) per il diagramma che riporta, a numero di giri costante, l'andamento del rendimento utile (o del consumo specifico) al variare della posizione del regolatore (ovvero al variare della potenza utile o della pressione media effettiva).

Caratteristica meccanica

 

Il diagramma a lato riporta l'andamento della potenza utile e della coppia in funzione del numero di giri al secondo del motore.

 

n max

 





Un impiego industriale ottimale del motore è quello a potenza utile costante al variare di n. Una caratteristica di questo tipo non andrebbe bene per la trazione in quanto la coppia è iperbolica, con C®¥ per n®¥, e quindi dovrebbe intervenire un regolatore di coppia.

Nel diagramma a sinistra è rappresento l'andamento della caratteristica meccanica di un motore a ciclo Otto.

n min: autosostentamento

n max: sollecitazioni

 


Caratteristica di regolazione

Nel diagramma a lato è rappresentato l'andamento del rendimento utile al variare della potenza utile (a numero di giri costante).

Nella zona di pessima regolazione si ottiene basso rendimento rispetto al combustibile utilizzato.

La curva a rappresenta la caratteristica ideale (rendimento max).

 


b

 

A

 
 

zona di pessima regolazione

 

 

1

 


Per un punto A generico appartenente alla caratteristica b abbiamo:

Cenni sulla sovralimentazione

La sovralimentazione è il metodo più razionale per aumentare la potenza e la pme di un motore alternativo a combustione interna.

Per aumentare le prestazioni possiamo teoricamente agire su vari parametri:

·      n: non possiamo aumentare più di tanto il n° dei giri

·      m: portare m a 2 causa una diminuzione di pme , quindi il vantaggio è troppo piccolo

·      iV: aumentare questa quantità significa aumentare le dimensioni del motore, quindi l'ingombro e il peso

·      : dipende dal tipo di combustibile, dalla sua reperibilità, dalle sue caratteristiche... su questo valore non si può agire molto perché i combustibile di uso civile sono pochi

·      : è già molto alto; si riescono a ottenere solo piccoli miglioramenti  affinando il progetto del motore

·      : il riempimento del motore dipende dalla dimensione, dal n° di valvole, e dalla capacità di aspirazione; non può essere aumentato molto perché la testata è piccola

·      va: volume massico dell'ambiente di aspirazione; è possibile agire su questo parametro aumentando la densità dell'ambiente "visto" dal motore.

Per diminuire va (aumentare ra) si agisce fondamentalmente sulla pressione dell'ambiente di alimentazione; il relativo aumento di temperatura è un effetto negativo a cui si può rimediare con refrigerazione (intercooler).

Va bene per i motori a ciclo Otto e un po' meno per i motori a ciclo Diesel.

Tipi di sovralimentazione:

·      a comando meccanico: è realizzato tramite un compressore volumetrico comandanto direttamente dall'albero motore mediante un accoppiamento a rapporto di trasmissione fisso

·      a turbina a gas di scarico: si utilizza l'energia termica e cinetica dei gas di scarico per azionare la turbina che a sua volta trascina un turbocompressore centrifugo per la sovralimentazione del motore

Con il compressore si ha maggior potenza ma un minore rendimento.

 







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